煤矿空洞型采空区高浓度浆液充填扩展机制及控制措施

高浓度浆液在采空区内的充填扩展机制及控制措施是空洞型采空区充填治理需要解决的难题之一。基于此,结合高浓度浆液输送及流变学理论,构建高浓度浆液充填过程模型,揭示其扩展机制,研究充填扩展过程的动力及阻力计算方法,确定充填堆积体形态主要影响因素及控制方法,并通过室外充填试验验证理论成果。结果表明:高浓度浆液充填阻力计算值与实验值相对误差约为5%;浆液的流变参数屈服应力及黏度与管道输送阻力成正比;凝结特性影响浆液堆积体强度增长趋势,凝结过程使浆液在堆积体与顶板间流动时阻力增大;当充填材料及流量不变时,管道输送沿程阻力主要受管道直径及长度影响;局部阻力与管道直径、弯头、变径形式及数量相关,数量越多局部阻力越大;浆液性质、充填路径及注浆工艺是影响充填堆积体形态的主要因素,缩短充填距离、减少管道变径及弯头数量、降低浆液屈服应力及黏度、增大注浆流量及压力有助于浆液扩展至更大范围,反之可使浆液扩展范围减小。成果为空洞型采空区高浓度浆液控制性充填提供依据。

采煤沉陷区治理时高浓度浆液流变时效特性研究

研究高浓度浆液流变特性随时间变化规律对采空区注浆充填有重要意义,为准确掌握高浓度浆液在采空区中形成的堆积体大小与形态,选取水泥为胶结材料,标准砂为骨料,对不同骨胶比高浓度充填浆液流变参数随着时间变化规律进行研究。结果表明,剪切速率在0~60 s^(-1)递增过程中,浆液的剪切应力和表观黏度均会先突增至某一值然后下降;剪切速率在60~0 s^(-1)递减过程中,浆液的剪切应力和表观黏度为线性递减。剪切速率上升时对应的剪切应力和表观黏度均大于下降时的剪切应力和表观黏度,浆液具有触变性。剪切速率在60~0 s^(-1)递减过程浆液符合Bingham模型,且剪切速率减小过程更满足高浓度浆液充填采空区的实际工况。利用Bingham模型求得不同时间浆液塑性黏度和屈服应力,随着静置时间增加,高浓度浆液屈服应力和塑性黏度整体增加,触变性整体增加;相同静置时间下,骨料占比越多,浆液的塑性黏度和屈服应力越大。高浓度浆液随时间的流变规律主要受到硅酸三钙反应影响,生成的针状水化硅酸钙直接影响了不同静置时间下高浓度浆液的黏度、屈服应力和触变性,2 h以内,针状水化硅酸钙在砂颗粒之间的桥接作用使高浓度浆液的黏度、屈服应力和触变性都增加。水灰比一定,水泥水化反应一定,骨料越多,水泥浆液在骨料上形成的膜越薄,骨料之间生成针状水化硅酸钙越多。根据试验数据拟合了塑性黏度和屈服应力随时间的变化公式,为后续高浓度浆液充填工艺中关键参数设定提供一定的依据。

高浓度浆液充填采空区堆积扩展规律试验研究

高浓度浆液在采空区内的充填堆积形态及扩散范围直接影响治理方案设计及治理效果。基于此,建立室外高浓度浆液充填堆积试验平台,以水泥为胶凝材料,河砂为骨料制备高浓度充填浆液,通过3D扫描设备量测不同坍落度及充填高度条件下高浓度浆液充填空区过程中的堆积特征,研究其堆积扩展规律,结果表明,高浓度浆液充填采空区过程可分为自由堆积阶段、接顶扩展、整体扩展3个阶段。浆液堆积角主要受材料坍落度影响,角度与坍落度负相关,与充填高度相关性弱。试验成果可有效指导高浓度浆液充填采空区的浆液配比设计及注浆工艺控制。

高浓度稳定性浆液灌浆法的应用与分析

本文对高浓度稳定性浆液灌浆法结合工程实例,在理论上进行了阐述与分析,说明了这种方法的可行性和可操作性,有进一步推广应用价值。

煤矿采空区充填墩台承载特性试验

高浓度浆液注入到采空区后形成充填墩台,墩台搭接尺寸将影响其上覆承载力。为掌握搭接尺寸对上覆承载力影响规律,选取水泥为胶结材料,标准砂为骨料,配制高浓度浆液,并利用3D打印技术制模制作墩台试样,进行单轴抗压试验。结果表明,单个墩台在顶面面积和高度一定时堆积角度越小极限承载力越大;堆积角30°和45°的搭接墩台试样的极限承载能力均在对应的单个墩台的2.0~3.5倍范围,试样硬化后,搭接墩台试样的极限承载力随着搭接尺寸的增加呈先增大后减小的趋势;采用墩台充填的方式进行采空区治理时,合理设置注浆孔间距,使所注浆液在采空区内部形成搭接墩台群,其承载效果优于均匀分布的单个墩台;堆积角30°搭接墩台的场地承载力整体优于堆积角45°的搭接墩台;采空区内取充填堆积角30°搭接墩台,且注浆孔间距为极限搭接尺寸的38.5%时,治理场地内整体承载力最大。研究成果将为高浓度浆液部分充填治理采空区的工程实施提供依据。

堆积角对采空区充填墩柱承载力影响试验研究

高浓度浆液具有环保、节能、减排、安全、高效等特点,正逐步被认可与应用,其注入到采空区后通常形成支撑圆台,不同堆积角度圆台对上覆岩层的支撑效果不同,掌握堆积角度对圆台承载力影响规律至关重要。为研究堆积角度对圆台承载力的影响规律,利用3D打印技术进行模具制作。选取水泥为胶结材料,标准砂为骨料,胶结料和骨料质量比为1∶3,水和水泥质量比为0.56的高浓度浆液。将高浓度浆液浇筑到模具中,制作不同堆积角度圆台试样。高浓度浆液在模具中静置1 d后脱模,随后将试样放在水中进行养护,待龄期为7 d时,利用WAW-300微机控制电液伺服万能试验机,进行单轴抗压试验。结果表明:圆台直径和高度相同时,堆积角越小,极限承载能力越强。堆积角30°、45°和60°的受力-变形曲线上升阶段与经典受压应力-应变曲线一致,破坏过程均可分为Ⅰ短暂弹性阶段、Ⅱ裂隙扩展阶段、Ⅲ维护结构失效阶段。不同堆积角圆台试样受压破坏过程相似,由于周围材料对受力核心区起到了提供围压的作用,使得堆积角越小,围压越大,圆台试样越不易被破坏。随着堆积角度的增大,试样单位体积承载力增大。不考虑墩柱的排布设计,只考虑其承载力算数和时,同一注浆量下,堆积角越大,承载效果越好。

黄土和风积砂为骨料的高浓度胶结材料流变特性研究

为保证高浓度浆液顺利输送及掌握其在采空区中的堆积效果,对高浓度胶结充填材料进行流变特性研究。选取水泥和粉煤灰为胶凝材料,风积砂和黄土为骨料,对不同胶凝材料和不同骨料配比下高浓度充填浆液流变特性的影响规律进行研究,得到了各因素关于高浓度充填浆液的剪切应力、表观黏度、屈服应力、塑性黏度,以及触变性之间的关系。结果表明,不同黄土和风积砂掺比下高浓度充填浆液均有一定触变性,且骨料中黄土所占比例越大,触变性越大。高浓度充填浆液的剪切速率与剪应力曲线在剪切速度增加区间和剪切速率减小区间数据均服从宾汉模型关系,且同一剪切速率下随着黄土掺加比例的增加所需剪切应力增加,表观黏度增加。提出用细料(黄土、水泥和粉煤灰)和骨料(砂)质量比来确定浆液对流变特性的影响关系,细料骨料比越大,屈服应力越小,塑性黏度越小,触变性越小,浆液流动性越好。

强行渗透方法在小口径金刚石钻探堵漏中的应用

基于流体在多孔介质中的流动阻力及压力平衡原理,使用高浓度化学浆液(PAM等)加惰性材料,通过孔口倒入并封闭孔口,用泥浆泵送入冲洗液加压,使堵漏材料强行渗透到钻孔漏失层(多孔介质)周围一定范围内。从而淤塞其裂隙中的孔隙降低孔隙率,驱替该范围内裂隙中的其它流体(水或冲洗液),以达到减渗堵漏的目的。